Diody Schottky'ego - urządzenie, rodzaje, charakterystyka i zastosowanie

Diody Schottky'ego, a dokładniej diody barierowe Schottky'ego, to urządzenia półprzewodnikowe wykonane na bazie styku metal-półprzewodnik, podczas gdy konwencjonalne diody wykorzystują półprzewodnikowe złącze pn.

Dioda Schottky'ego swoją nazwę i pojawienie się w elektronice zawdzięcza niemieckiemu fizykowi Walterowi Schottky'emu, który w 1938 roku badając nowo odkryty efekt bariery potwierdził wcześniejszą teorię, zgodnie z którą bariera potencjału utrudniała nawet emisję elektronów z metalu , ale przy przyłożonym zewnętrznym polu elektrycznym ta bariera będzie się zmniejszać. Walter Schottky odkrył ten efekt, który nazwano wówczas efektem Schottky'ego na cześć naukowca.

Fizyczna strona

Badając kontakt między metalem a półprzewodnikiem można zauważyć, że jeśli blisko powierzchni półprzewodnika znajduje się obszar zubożony w większość nośników ładunku, to w obszarze styku tego półprzewodnika z metalem po stronie półprzewodnika , tworzy się strefa przestrzeni ładunek ze zjonizowanych akceptorów i donorów i dochodzi do kontaktu blokującego - sama bariera Schottky'ego ... W jakich warunkach występuje ta bariera? Prąd promieniowania termionowego z powierzchni ciała stałego określa równanie Richardsona:

Stwórzmy warunki, w których półprzewodnik, na przykład typu n, styka się z metalem, praca termodynamiczna elektronów z metalu byłaby większa niż praca termodynamiczna elektronów z półprzewodnika. W takich warunkach, zgodnie z równaniem Richardsona, prąd promieniowania termoelektrycznego z powierzchni półprzewodnika będzie większy niż prąd promieniowania termoelektrycznego z powierzchni metalu:

W początkowej chwili, przy zetknięciu się tych materiałów, prąd z półprzewodnika do metalu przekroczy prąd wsteczny (z metalu do półprzewodnika), w wyniku czego w obszarach przypowierzchniowych zarówno półprzewodników, jak i metalu, zaczną gromadzić się ładunki kosmiczne — dodatnie w półprzewodniku i ujemne — w metalu. W obszarze kontaktu powstanie pole elektryczne utworzone przez te ładunki i nastąpi zagięcie pasm energii.

Pod wpływem pola praca pracy termodynamicznej półprzewodnika będzie rosła i wzrost ten będzie trwał do momentu, gdy praca pracy termodynamicznej i odpowiadające im prądy promieniowania termodynamicznego przyłożone do powierzchni zrównają się w obszarze styku.

Obraz przejścia do stanu równowagi z utworzeniem bariery potencjału dla półprzewodnika typu p i metalu jest podobny do rozważanego przykładu z półprzewodnikiem typu n i metalem. Rolą napięcia zewnętrznego jest regulacja wysokości bariery potencjału i natężenia pola elektrycznego w obszarze ładunku przestrzennego półprzewodnika.

Powyższy rysunek przedstawia diagramy obszarów różnych etapów tworzenia się bariery Schottky'ego. W warunkach równowagi w strefie styku prądy emisji cieplnej wyrównują się, pod wpływem pola pojawia się bariera potencjału, której wysokość jest równa różnicy między pracą termodynamiczną: φk = FMe — Фп / п.

Oczywiście charakterystyka prądowo-napięciowa bariery Schottky'ego okazuje się asymetryczna. W kierunku do przodu prąd rośnie wykładniczo wraz z przyłożonym napięciem. W przeciwnym kierunku prąd nie zależy od napięcia.W obu przypadkach prąd jest napędzany przez elektrony jako główne nośniki ładunku.

Dlatego diody Schottky'ego wyróżniają się szybkością, ponieważ wykluczają procesy rozproszone i rekombinacyjne, które wymagają dodatkowego czasu. Zależność prądu od napięcia związana jest ze zmianą liczby nośników, ponieważ nośniki te biorą udział w procesie przenoszenia ładunku. Napięcie zewnętrzne zmienia liczbę elektronów, które mogą przejść z jednej strony bariery Schottky'ego na drugą.

Ze względu na technologię wykonania i opisaną zasadę działania, diody Schottky'ego charakteryzują się niskim spadkiem napięcia w kierunku przewodzenia, znacznie mniejszym niż tradycyjne diody p-n.

Tutaj nawet niewielki prąd początkowy przepływający przez obszar styku prowadzi do uwolnienia ciepła, które następnie przyczynia się do pojawienia się dodatkowych nośników prądu. W tym przypadku nie ma zastrzyku nośników ładunku mniejszościowego.

Dlatego diody Schottky'ego nie mają pojemności rozproszonej, ponieważ nie ma nośników mniejszościowych, w wyniku czego prędkość jest dość wysoka w porównaniu z diodami półprzewodnikowymi. Okazuje się, że jest to coś na kształt ostrego asymetrycznego złącza p-n.

Zatem przede wszystkim diody Schottky'ego są diodami mikrofalowymi do różnych celów: detektor, mieszanie, przejście lawinowe, parametryczne, pulsacyjne, mnożące. Diody Schottky'ego mogą być stosowane jako detektory promieniowania, tensometry, detektory promieniowania jądrowego, modulatory światła i wreszcie prostowniki wysokiej częstotliwości.

Oznaczenie diody Schottky'ego na schematach

Dioda Schottky'ego dzisiaj

Obecnie diody Schottky'ego są szeroko stosowane w urządzeniach elektronicznych. Na schematach są one przedstawione inaczej niż konwencjonalne diody. Często można spotkać podwójne prostowniki Schottky'ego wykonane w typowej dla wyłączników trzypinowej obudowie. Takie dualne konstrukcje zawierają wewnątrz dwie diody Schottky'ego, częściej niż katody połączone katodami lub anodami.

Diody w zestawie mają bardzo podobne parametry, ponieważ każdy taki węzeł jest wytwarzany w jednym cyklu technologicznym, dzięki czemu ich temperatura pracy jest odpowiednio taka sama, a niezawodność wyższa. Trwały spadek napięcia o 0,2-0,4 wolta wraz z dużą prędkością (jednostki nanosekund) to niewątpliwa przewaga diod Schottky'ego nad ich odpowiednikami p-n.

Specyfika bariery Schottky'ego w diodach, w związku z niskim spadkiem napięcia, przejawia się przy przyłożonych napięciach do 60 woltów, chociaż prędkość pozostaje stała. Dziś diody Schottky'ego typu 25CTQ045 (dla napięć do 45 woltów, dla prądów do 30 amperów na każdą parę diod w zespole) można znaleźć w wielu zasilaczach impulsowych, gdzie służą jako prostowniki dla prądów do kilku sto kiloherców.

Nie sposób nie poruszyć tematu wad diod Schottky'ego, oczywiście, że są i są ich dwie. Po pierwsze, krótkotrwałe przekroczenie krytycznego napięcia spowoduje natychmiastowe wyłączenie diody. Po drugie, temperatura silnie wpływa na maksymalny prąd wsteczny. Przy bardzo wysokiej temperaturze złącza dioda po prostu pęknie nawet podczas pracy przy napięciu znamionowym.

Żaden radioamator nie może obejść się bez diod Schottky'ego w swojej praktyce. Najpopularniejsze diody można tutaj wymienić: 1N5817, 1N5818, 1N5819, 1N5822, SK12, SK13, SK14. Diody te dostępne są zarówno w wersji wyjściowej, jak i SMD. Najważniejszą rzeczą, za którą radioamatorzy tak bardzo je cenią, jest ich duża prędkość i niski spadek napięcia na złączach — maksymalnie 0,55 wolta — przy niskim koszcie tych komponentów.

Rzadka płytka drukowana nie zawiera diod Schottky'ego w tym czy innym celu. Gdzieś dioda Schottky'ego służy jako prostownik małej mocy dla obwodu sprzężenia zwrotnego, gdzieś - jako stabilizator napięcia na poziomie 0,3 - 0,4 wolta, a gdzieś jest detektorem.

W poniższej tabeli można zobaczyć parametry najpopularniejszych obecnie diod Schottky'ego małej mocy.